多個(gè)ADC的基準(zhǔn)電壓

本文討論了如何成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基準(zhǔn)電壓源電路，以滿足超聲成像應(yīng)用的節(jié)省空間需求，這些應(yīng)用通常需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓源來(lái)為多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）供電。最后，對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果將在以下筆記中討論。

具有多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的精度直接取決于施加到ADC的基準(zhǔn)電壓。例如，醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)通常在接收器的波束成形器電子設(shè)備中包括大量ADC，通常按16、24、32等分組組織。最大光束精度要求您將此路徑中的誤差降至最低。單個(gè)ADC基準(zhǔn)電壓精度差會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的性能，分布式負(fù)載也是如此，分布式負(fù)載由許多單獨(dú)的阻性和容性負(fù)載組成。有幾種方法可以為此類ADC陣列提供基準(zhǔn)電壓：

單獨(dú)的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源：雖然它提供了與每個(gè)ADC的本地連接，但該選項(xiàng)的轉(zhuǎn)換器之間的匹配相對(duì)較差。

施加于ADC陣列所有基準(zhǔn)輸入的單個(gè)外部基準(zhǔn)電壓：這種配置允許您設(shè)計(jì)任意精度的外部基準(zhǔn)電壓，但由于電阻梯形（每個(gè)ADC內(nèi)部一個(gè)梯形）之間的微小變化而產(chǎn)生誤差。

驅(qū)動(dòng)ADC基準(zhǔn)梯形圖的外部基準(zhǔn)電壓源直接抽頭：此選項(xiàng)通過直接控制施加到每個(gè)ADC階梯的基準(zhǔn)電壓來(lái)提供最大的增益精度。但是，它需要驅(qū)動(dòng)梯形圖的（相對(duì)）低電阻，并且某些ADC不允許訪問該內(nèi)部偏置點(diǎn)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度

對(duì)于許多應(yīng)用，增益和噪聲電平對(duì)ADC精度有重大影響。ADC的增益由其傳遞函數(shù)的斜率表示，該斜率將模擬輸入與數(shù)字輸出代碼的允許范圍相關(guān)聯(lián)。量化增益的一種方法是測(cè)量滿量程（FS）輸入范圍，該范圍由基準(zhǔn)電壓電平直接控制。對(duì)于醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)，ADC滿量程范圍的變化會(huì)導(dǎo)致聲束形成誤差。這也改變了ADC的削波點(diǎn)——這種效應(yīng)在某些信號(hào)解調(diào)方案中可能很重要。

ADC的噪聲電平?jīng)Q定了其可用動(dòng)態(tài)范圍;此動(dòng)態(tài)范圍通常應(yīng)盡可能大。ADC噪聲的參考噪聲分量可以是加法或乘法。加性噪聲很容易通過各個(gè)ADC上的本地旁路電容濾除，在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，這些電容已經(jīng)存在，以優(yōu)化ADC的動(dòng)態(tài)性能。

另一方面，乘法噪聲更陰險(xiǎn)。對(duì)于超聲應(yīng)用，音頻頻譜中的參考噪聲可以調(diào)制RF頻譜中的大“靜止”信號(hào)。這種信號(hào)由超聲靶標(biāo)中的靜止組織產(chǎn)生。音頻調(diào)制在RF信號(hào)上產(chǎn)生邊帶，該邊帶可由多普勒檢波器解調(diào)，從而在檢測(cè)到的多普勒輸出信號(hào)中產(chǎn)生音頻音調(diào)。

為了估算超聲應(yīng)用中可容忍的音頻噪聲量，假設(shè)施加到MAX10等1448位ADC的近滿量程RF信號(hào)。該器件的動(dòng)態(tài)范圍（近60dB）意味著-60dBFS的本底噪聲。該噪聲水平可以歸一化為1Hz帶寬。80MHz采樣速率的奈奎斯特帶寬為40MHz。校正因子為√（40MHz）= 76dB，使ADC的本底噪聲為-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。由于保守設(shè)計(jì)要求基準(zhǔn)電壓噪聲至少低20dB（-156dBFS），因此+2.0V基準(zhǔn)要求33nV的極低噪聲水平P-P（約 8nV有效值/√赫茲）。

具有多個(gè)ADC的陣列可能需要比每個(gè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電壓更精確的基準(zhǔn)電壓（例如，MAX144x轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部基準(zhǔn)精度為±1%）。以下兩個(gè)電路作為此類陣列的參考設(shè)計(jì)提交。它們具有單個(gè)通用低頻噪聲濾波器，并通過單個(gè)ADC上的本地去耦電容實(shí)現(xiàn)高頻噪聲抑制。

單個(gè)外部基準(zhǔn)

基于MAX144x系列的多路轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)非常適合與公共基準(zhǔn)電壓配合使用。這些轉(zhuǎn)換器的REFIN引腳可以直接連接到外部基準(zhǔn)源，無(wú)需修改任何電路。此外，REFIN的高輸入阻抗（即使是并聯(lián)連接的多個(gè)REFIN端子）僅消耗很小的負(fù)載電流。

MAX6062 （IC1）等精密電源產(chǎn)生+2.048V的外部直流電平（圖1），噪聲電壓密度為150nV/√Hz。其輸出通過1極點(diǎn)低通濾波器（截止頻率為10Hz）至運(yùn)算放大器（IC2），如MAX4250，在輸出施加至第二個(gè)10Hz低通濾波器之前緩沖基準(zhǔn)。IC2 （MAX4250）提供低失調(diào)電壓（用于高增益精度）和低噪聲電平。緩沖器后面的無(wú)源10Hz濾波器衰減基準(zhǔn)電壓源和緩沖器級(jí)產(chǎn)生的噪聲。濾波后的噪聲密度在頻率越高時(shí)會(huì)降低，滿足精確ADC操作規(guī)定的噪聲水平。

圖1.對(duì)于超聲應(yīng)用，單個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓源電路可驅(qū)動(dòng)多達(dá)1000個(gè)ADC。

MAX144x系列轉(zhuǎn)換器的典型增益誤差為±4.4% （優(yōu)于±0.5dB）。這種性能優(yōu)于超聲接收器信號(hào)路徑中所有其他構(gòu)建模塊的增益容差。請(qǐng)注意，由于所有有源器件均由相同的電源電壓驅(qū)動(dòng)，因此可確保正確的上電/關(guān)斷時(shí)序。這種方法能夠以最少的電路實(shí)現(xiàn)出色的增益匹配和極低的噪聲水平，并且應(yīng)該足以滿足許多需要多個(gè)增益匹配ADC的應(yīng)用。

生成精密外部基準(zhǔn)

對(duì)于要求更嚴(yán)格的增益匹配的應(yīng)用（圖2），MAX144x系列同樣非常適合。將每個(gè)REFIN連接到模擬地可禁用每個(gè)器件的內(nèi)部基準(zhǔn)，從而允許內(nèi)部基準(zhǔn)梯由一組外部基準(zhǔn)源直接驅(qū)動(dòng)。這些電壓可以具有任意嚴(yán)格的容差，ADC通常在0.1%以內(nèi)跟蹤它們。該系列ADC還在梯形基準(zhǔn)連接上具有4kΩ電阻，即使許多ADC并聯(lián)工作，也可以輕松驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖2.同樣對(duì)于超聲應(yīng)用，精密低噪聲基準(zhǔn)電壓源電路可驅(qū)動(dòng)多達(dá)32個(gè)ADC。

+2.500V的直流電平可由精密電源（IC1）產(chǎn)生，如MAX6066，后接10Hz低通濾波器和精密分壓器。該分壓器的緩沖輸出設(shè)置為+2.0V、+1.5V和+1.0V，精度取決于分壓電阻的容差。

這三個(gè)電壓由四通道運(yùn)算放大器IC2（MAX4254）緩沖，IC10因其低噪聲和直流失調(diào)而被選中。各個(gè)電壓跟隨器連接到3Hz低通濾波器，該濾波器將基準(zhǔn)電壓和緩沖放大器噪聲濾波至2nV/√Hz電平。+0.1V和+0.2V基準(zhǔn)電壓將相關(guān)ADC的差分滿量程范圍設(shè)置為<>VP-P.+2.0V和+1.0V緩沖器驅(qū)動(dòng)ADC之間的內(nèi)部梯形電阻：4kΩ除以電路中的ADC數(shù)量。例如，32個(gè)ADC將從這些電源吸收8mA電流，負(fù)載電流完全在IC2（MAX4252）的能力范圍內(nèi)。

這種配置的增益精度幾乎可以任意好，這取決于IC1的精度等級(jí)（此處為MAX6066）和分壓器中電阻的容差。在這種配置中，每個(gè)ADC的增益匹配通常為0.1%。當(dāng)噪聲電平低于3nV/√Hz（100Hz時(shí)）時(shí)，該電路具有出色的性能。如圖1所示，所有有源組件的通用電源消除了上電或斷電時(shí)電源排序的任何顧慮。

當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出匹配優(yōu)于0.1%時(shí)，可以復(fù)制這些緩沖器和后續(xù)低通濾波器，以支持多達(dá)32個(gè)ADC。對(duì)于需要32個(gè)以上匹配ADC的應(yīng)用，強(qiáng)烈建議使用所有轉(zhuǎn)換器通用的基準(zhǔn)電壓源和分壓器串。

總結(jié)

需要大量具有良好通道間匹配的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)需要仔細(xì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源系統(tǒng)。使用通用、高精度、低噪聲基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動(dòng)所有ADC是實(shí)現(xiàn)高精度匹配的寶貴方法。MAX10x系列144位ADC具有靈活的基準(zhǔn)輸入和出色的動(dòng)態(tài)性能，是此類應(yīng)用的熱門選擇。

審核編輯：郭婷